UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA
TESIS
PRESENTADO POR LOS BACHILLERES:
COPES ARTICA, Jean Paul Rafael GILBONIO ARTICA, Jorginho Fernando
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO QUÍMICO
HUANCAYO - PERÚ 2013
TRATAMIENTO DE LAS AGUAS RESIDUALES URBANAS EN UN REACTOR UASB A NIVEL DE LABORATORIO DEL COLECTOR AGUA
DE LAS VIRGENES
ii
ASESOR:
Ms. Salvador Teódulo Oré Vidalón
DEDICATORIA
Al señor de la misericordia, mi señor y dios por darme la fuerza y mostrarme el camino en el trayecto de mi vida, a mi padre y mi hermosa madre por su amor, carácter y apoyo, a mi tío Héctor Gilbonio y a todas esas personas que me brindaron su apoyo y motivación.
Jorginho
A mis adorados padres Pablo Copes y Maria Artica; por darme la vida, estar conmigo y brindarme su apoyo en todo momento para realizarme como persona y profesional. A mis hermanos por su desinteresada ayuda y sus consejos para alcanzar mis metas.
Jean Paul
iv
AGRADECIMIENTO
Un especial agradecimiento a nuestro asesor Ms. Salvador Teódulo Oré Vidalón por su apoyo en la realización de este trabajo de investigación, quien con su experiencia y conocimiento supo encaminarnos al buen desarrollo de este trabajo.
De igual manera al Ms. Pascual Víctor Guevara Yanqui por la confianza y el apoyo incondicional para el uso del Laboratorio de Operaciones Unitarias (LOPU).
Así mismo a la Ing. Carmen Velit Villareal quien nos apoyó para los análisis de nuestras muestras.
Nuestro agradecimiento no sería completo si no agradeciéramos a aquellas personas que de alguna u otra manera nos ayudaron al desarrollo de nuestra tesis como el Ms. Hugo Suasnabar Buendía, Ms. Jaime Herminio Claros Castellares.
RESUMEN
El presente trabajo de investigación tiene el propósito tratar las aguas residuales urbanas del colector agua de las vírgenes en un reactor UASB a nivel de laboratorio y a la vez estudiar la influencia del tiempo de retención hidráulico, temperatura y pH en la degradación de la materia orgánica, donde las aguas residuales es uno de los problemas importantes en el impacto ambiental que estas provocan.
En este contexto, el destino y los efectos contaminantes del agua residual del colector Agua De Las Vírgenes, han ganado más atención debido a la contaminación que genera cuando entran en contacto con el cauce del Rio Mantaro. Por ello el tratamiento de las aguas residuales es un proceso que persigue disminuir la mayor cantidad posible de contaminación que lleva consigo.
La aplicación de la digestión anaerobia en el tratamiento de aguas residuales urbanas es una tecnología actualmente en proceso de expansión, que día a día es más aplicada a la solución de problemas específicos de control de contaminación del agua. La principal ventaja del proceso de la digestión anaeróbica es el proceso en el cual microorganismos descomponen material biodegradable en ausencia de oxígeno. Este proceso genera diversos gases, entre los cuales el dióxido de carbono y el metano son los más abundantes. La intensidad y duración del proceso anaeróbico varían dependiendo de diversos factores, entre los que se destacan el tiempo de retención hidráulico, la temperatura y el pH del material biodegradable.
El método aplicado en la determinación de la DQO se realizó en el espectro fotómetro de la facultad de ingeniería química UNCP, utilizando el test de cubeta con el método de dicromato/H2SO4, usando la longitud de onda de λ, 610 nm.
Se trabajó en un reactor UASB de 6 L de capacidad, al cual se alimentó la muestra de agua residual, y se realizaron las corridas a un tiempo de retención hidráulica de 8 horas y
vi 16 horas, un pH de 7,5 y 9, y una temperatura de 36 °C y 39 °C. El agua residual ingreso al reactor con un DQO de 547 mg/L, Solidos totales de 418 mg/L, Alcalinidad de 192,0 mg/L – CaCO3, Sulfatos de 56,3 mg/L – SO4, Oxígeno disuelto de 1,55 ppm.
De lo cual se concluye que el tiempo de retención hidráulico, la Temperatura y el pH no son significativas en la degradación de la materia orgánica, sin descartar la interacción del tiempo de retención hidráulico con la temperatura que tienen un mayor significatividad en la degradación de la materia orgánica; y que por sí sola el tiempo de retención hidráulica es la que predomina en significatividad en la degradación de la materia orgánica.
INTRODUCCIÓN
El tratamiento biológico de las aguas residuales Es la remoción de sustancias orgánicas biodegradables disueltas en el agua residual, donde la materia orgánica ingresada al proceso entra en contacto con las bacterias y protozoos para la degradación de la misma formando gases volátiles y biomasa suspendida, así como compuestos oxidados del efluente, las bacterias y protozoos forman un nuevo crecimiento microbial a través de floculos biológicos, los cuales se ponen a disposición para su re uso.
En el tratamiento bilógico, existen cuatro grupos principales: procesos aerobios, procesos anaerobios, procesos anóxicos y procesos combinados, dentro de cada grupo hay diferentes tipos dependiendo del crecimiento biológico.
En el proceso anaerobio se realiza la descomposición u oxidación de los compuestos orgánicos en la ausencia de oxígeno, donde la materia orgánica donante de hidrogeno tiene contacto con las bacterias para la formación de metano y dióxido de carbono, en la oxidación interna ocurre la transformación de nitritos a nitrógeno, de sulfatos a sulfuro de hidrogeno y de dióxido de carbono a metano y agua.
El reactor o proceso de flujo ascensional y manto de lodos anaerobio conocido en inglés como UASB y en español como RAFA o PALMA, es un reactor de tipo Hibrido usado para la remoción de materia orgánica y solidos suspendidos, la cual tiene una baja producción de lodos, no requiere oxigeno por tanto poca energía eléctrica y adaptable a aguas residuales de alta concentración orgánica, tiene requerimientos nutricionales bajos, produce metano el cual puede ser útil como energético.
Los Tesistas
viii
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Tratar las aguas residuales urbanas del colector Agua de las Vírgenes en un reactor UASB tomando en cuenta la significancia de la temperatura, pH y tiempo de retención hidráulica en la degradación de la materia orgánica.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Caracterizar las aguas residuales urbanas del colector Agua de las Vírgenes.
Determinar la significancia del tiempo de retención hidráulica en la degradación de la materia orgánica de las aguas residuales urbanas del colector Agua de las Vírgenes, a un tiempo de retención hidráulica de 8 horas y 16 horas.
Determinar la significancia de la temperatura en la degradación de la materia orgánica de las aguas residuales urbanas del colector Agua de las Vírgenes, a una temperatura de 36 °C y 39 °C.
Determinar la significancia del pH en la degradación de la materia orgánica de las aguas residuales urbanas del colector Agua de las Vírgenes, a un pH de 7.5 y 9.
SIMBOLOGÍA UTILIZADA
NOMENCLATURA
kg Kilogramos
g gramos
g/cd gramos por consumo domestico L/c.d Litro por consumo domestico mg/cd Miligramos por consumo domestico mg/L Miligramos por litro
mg/L- CaCO3 Miligramo por litro de Carbonato de Calcio mg/L – Cl Miligramos por litro de Cloro
mg/L – N Miligramos por litro de Nitrógeno mg/L – P Miligramos por litro de Fosforo mg/L-O2 Miligramos por litro de oxigeno
mL Mililitros
mS/cm Milisiemens por centímetro
mV Milivoltios
m3/kg DQO Metros cúbicos por kilogramo de DQO
kgSSV/kg DQO Kilogramos de solidos suspendidos volátiles por kilogramo de DQO
ppm Partes por millón
ABREVIATURA
ABS Alquil Benceno Sulfonato
AR Agua residual
ARC Agua residual cruda
ARD Agua residual domestica
ART Agua residual tratada
COT Carbono orgánico Total
COV Carbono Orgánico Volátil
CF Coliformes fecales
DBO Demanda bioquímica de oxigeno
x DBOUC demanda bioquímica ultima de oxigeno carbonáceo
DBON demanda bioquímica de oxigeno nitrogenácea DNA ácidos desoxirribonucleico
DQO Demanda química de oxigeno
DTO Demanda teórica de oxigeno
ECC Extracción con carbón y cloroformo LAS alquil benceno sulfonato lineal MEFS Microextracción de fase solida
NMP Número más probable
NRC National Research Council
OD Oxígeno disuelto
pH Potencial de Hidrogeno
POR Potencia de oxidación reducción
RNA Ácido ribonucleico
SAAM Sustancia activas al azul de metileno SDT Solidos disueltos totales
SS Solidos suspendidos
ÍNDICE DE CONTENIDO
Dedicatoria iii
Agradecimiento iv
Resumen v
Introducción vii
Objetivos viii
Objetivo General viii
Objetivo Especifico viii
Simbología utilizada ix
Nomenclatura ix
Abreviatura ix
Índice de Contenido xi
Capítulo I: Revisión Bibliográfica 15
Antecedentes 15
Tratamiento de aguas residuales 16
1.1. Caracterización de aguas residuales 16
1.1.1. Fuentes de aguas residuales 16
1.1.2. Características de las aguas residuales 18 1.1.3. Efectos de polución por las aguas residuales 23 1.1.4. Características de importancia en aguas residuales 29
Acidez 30
Ácido Sulfúrico 31
Actinomices 31
Alcalinidad 32
Bacterias 32
Bioensayos 34
Carbohidratos 34
Carbono orgánico total (COT) 34
xii
Cloruros 35
Coliformes 35
Color 36
Compuestos orgánicos Volátiles 36
Demanda bioquímica de oxigeno (DBO) 37
DBO nitrogenácea 37
Demanda química de oxigeno (DQO) 39
Demanda teórica de Oxigeno 40
Detergentes 40
Dióxido de Carbono 41
Fenoles 42
Fosforo 42
Grasas y aceites 43
Materia Orgánica 43
Metales pesados 44
Metano 45
Nitrógeno 45
Nocardia 47
Olor 47
Oxígeno disuelto 49
Pesticidas 49
pH 51
Proteínas 52
Protozoos 53
Solidos 53
Sulfatos 54
Sulfuros 54
Temperatura 55
Turbiedad 56
Virus 56
1.2. Principios del tratamiento biológico 56
1.2.1. Oxidación biológica 58
1.2.2. Proceso anaerobio 61
Producción de metano 70
Crecimiento biológico anaerobio 73
1.2.3. Aspectos comparativos 74
1.3. Sistema anaerobio 77
1.3.1. Proceso anaerobio de contacto 80
1.3.2. Proceso ascensional de manto de lodos anaerobio 82
Capitulo II: Diseño experimental 89
2.1. Materiales, equipos, reactivos e instrumentos 89
2.1.1. Equipos utilizados 89
2.1.2. Instrumentos utilizados 91
2.1.3. Reactivos utilizados 91
2.2. Procedimiento experimental 92
2.2.1. Medición del DQO 92
2.2.1.1. DQO en la entrada del reactor 92
2.2.1.2. DQO a la salida del reactor 93
2.2.2. Medición del pH y temperatura 93
2.2.3. Control del tiempo de retención hidráulica 93
2.2.4. Caracterización del Agua 94
2.2.4.1. Sulfatos 94
2.2.4.2. Amonio 94
2.2.4.3. Fosfatos 94
2.2.4.4. Nitritos 95
2.2.4.5. Cloruros 95
2.2.4.6. Alcalinidad 96
Capitulo III: Resultados y discusión 97
3.1. Resultados de la caracterización de las aguas residuales 97 3.2. Resultados de la demanda química de oxigeno de las aguas residuales 98
3.3. Tratamiento de datos 108
Conclusiones 113
xiv
Recomendaciones 114
Bibliografía 115
Anexos 118
CAPITULO I
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
ANTECEDENTES
Yaxcelys A. y Colaboradores, realizaron un estudio del:
Efecto del tiempo de retención hidráulica en el funcionamiento de un reactor UASB tratando efluentes cárnicos.
Se estudió el efecto del tiempo de retención hidráulica (TRH) en el funcionamiento de un reactor UASB tratando efluentes cárnicos bajo condiciones mesofílicas. Se evaluó la concentración promedio de demanda química de oxígeno (DQO) del efluente cárnico de 8500 mg DQO/L a TRH de 36 h, 24 h y 12 h obteniéndose cargas orgánicas (CO) de 5,7 kg; 8,5 kg y 17 kg DQO/m3d respectivamente. Cada TRH se mantuvo hasta alcanzar valores estables en los parámetros operacionales. Se analizaron los siguientes parámetros: DQO, carbono orgánico total (COT), producción de biogás, porcentaje de metano, pH, alcalinidad, sólidos suspendidos totales (SST), sólidos suspendidos volátiles (SSV), producción de ácidos grasos volátiles (AGV) y temperatura. Los resultados demostraron la eficiencia del reactor UASB tratando efluentes cárnicos obteniéndose un porcentaje de remoción de DQO promedio de 79 % para la CO de 17 kg DQO/m3d a TRH de 12 h. Se obtuvo una disminución en el porcentaje de remoción de DQO promedio entre 1 % y 8 % con la variación del TRH. Los cambios en el TRH afectaron la concentración de AGV y SSV, obteniéndose los máximos valores para el TRH de 12 h. El porcentaje de metano estuvo en el rango de 59 %– 64 %(32).
Jesús Rodríguez y colaboradores, realizaron un estudio de la:
Bioconversión anaerobia como una alternativa para la remoción de DQO contenido en aguas residuales del rastro municipal de la ciudad de saltillo, Coahuila, México Para la Bioconversión anaerobia de DQO contenido en aguas residuales del rastro de Saltillo, México, se realizó mediante el arranque de un reactor UASB-híbrido, empacado con bauxita en la parte superior. La temperatura del reactor fue controlada a 38 °C. La adaptación del lodo tuvo una duración de 10 días y después se procedió a la alimentación continua con una carga orgánica inicial de 0,9 g hasta 6,5 g DQO/L/día; el pH se mantuvo entre 7,1 y 8,2. Se midió la producción de ácidos grasos volátiles y el flujo de biogás. El arranque se realizó en 30 días y la eficiencia del tratamiento fue superior al 80 % cuando
16 la carga orgánica oscilo en el rango de 5 g – 6 g DQO/L/día y un tiempo de retención hidráulica no menor de 2 días (33).
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
La generación de aguas residuales es un producto inevitable de la actividad humana. El tratamiento y disposición apropiada de las aguas residuales supone el conocimiento de las características físicas, químicas y biológicas de dichas aguas residuales; de su significado y de sus efectos principales sobre la fuente receptora.
1.1. CARACTERIZACIÓN DE AGUAS RESIDUALES.
En el presente capitulo se presentan los conceptos físicos, químicos y biológicos de la calidad del agua, la caracterización de aguas residuales, el muestreo y la metodología de análisis de resultados.
1.1.1. FUENTES DE AGUAS RESIDUALES.
Definición: Las aguas residuales son las aguas usadas y los sólidos que por uno u otro medio se introducen en las cloacas y son transportados mediante el sistema de alcantarillado.
En general, se consideran aguas residuales domesticas (ARD) los líquidos provenientes de las viviendas o residencias, edificios comerciales e institucionales. Se denominan aguas residuales municipales los residuos líquidos transportados por el alcantarillado de una ciudad o población y tratados en una planta de tratamiento municipal, y se llaman aguas residuales industriales a las aguas residuales provenientes de las descargas industriales de manufacturas.
También se acostumbra denominar aguas negras a las aguas residuales provenientes de inodoros, es decir, aquellas que transportan excrementos humanos y lavadoras, aportantes de DBO, solidos suspendidos, fosforo, grasas y coliformes fecales, esto es, aguas residuales domésticas, excluyendo las de los inodoros.
Aunque el precio del agua es un factor de gran incidencia en el consumo, la cantidad de agua de consumo doméstico no debería superar los 200 L/c.d con un promedio de 60 % a 70 % para baño, lavandería, cocina y aseo, y un 30 % a 40
% para arrastre sanitario de excrementos y orina. Sin embrago, este último
porcentaje puede disminuirse con el fomento de los inodoros de volumen más eficientes (31).
Fuentes: Las aguas de las lluvias transportan la carga poluidora de techos, calles y demás superficies por donde circula; sin embargo, en ciudades modernas se recogen en alcantarillas separadas, sin conexiones conocidas de aguas residuales domesticas o industriales y, en general, se descargan directamente en el curso de agua natural más próximo sin ningún tratamiento. En ciudades que poseen un sistema de alcantarillado combinado se acostumbra captar el caudal de tiempo seco mediante un alcantarillado interceptor y conducirlo a la planta de tratamiento. No obstante, durante los aguaceros el caudal en exceso de la capacidad de la planta y del alcantarillado interceptor desvía directamente al curso natural del agua. En este caso se puede presentar riesgos serios de polución y de violación de normas de descarga, los cuales solo se puede evitar reemplazando el sistema de alcantarillado combinado por uno separado. En la figura 1.1 se resumen las principales fuentes de aguas residuales municipales.
18 Figura 1.1 Principales fuentes de aguas residuales municipales (10).
Modification de: HAMMER, M.J. water and wastewater technology
1.1.2. Características De Las Aguas Residuales
La expresión de las características de un agua residual puede hacerse de muchas maneras, dependiendo de su propósito específico; sin embargo, vale la pena anotar que toda caracterización de aguas residuales implica un programa de muestreo apropiado para asegurar representatividad de la muestra y un análisis de laboratorio de conformidad con normas estándar que aseguren precisión y exactitud en los resultados. En general, un programa de muestreo para caracterización y control de calidad de aguas supone un análisis cuidadoso del tipo de muestras, número de ellas y parámetros que deben analizar, en esencial en un medio como el colombiano en el que no se justifica asignar más recursos de los estrictamente necesarios para satisfacer el objetivo propuesto (16).
Existen caracterizaciones típicas de agua residuales, las cuales son muy importantes como referencia de los parámetros de importancia por analizar y de su magnitud, hay que recordar que cada agua residual es única en sus características y que, en lo posible, los parámetros de polución deben evaluarse en el laboratorio para cada agua residual. Las tablas siguientes resumen valores promedios de las características de polución más importantes evaluadas en aguas residuales y revelan la importancia de su origen y de la magnitud del caudal aportante. Las aguas negras, como ya se mencionó, transportan básicamente excrementos humanos y orina (ver tabla 1.1) y por ello contribuyen potencialmente con materia orgánica (DBO), solidos suspendidos, nitrógeno y coliformes fecales. En las tablas 1.2 a 1.6 se resumen las características más importantes de diferentes aguas residuales.
Tabla 1.1
Composición de excrementos y orina humanos Composición de excrementos y orina humanos(16)
Características Materia fecal Orina
Cantidad (húmeda) por persona por día Cantidad (seca) por persona por día Humedad
Materia orgánica Nitrógeno
Fosforo (como P2O3) Potasio (como K2O) Carbón
Calcio (como CaO)
135 g – 270 g 35 g – 70 g 66 % – 80 % 88 % – 97 % 5,0 % – 7,0 % 3,0 % – 5,4 % 1,0 % – 2,5 % 44 % – 55 % 4,5 %
1 kg – 1,3 kg 50 g – 70 g 93 % – 96 % 65 % – 85 % 15 % – 19 % 2,5 % – 5,0 % 3,0 % – 4,5 % 11 % – 17 % 4,5 % – 6,0 % Tabla 1.1
Composición de los excrementos y orina humana (cont.) Composición de la orina humana(8)
Características Promedio Intervalo
Volumen, L/cd pH
conductividad, mS/cm NH4 – N, mg/cd
1,57 6,1 17,49 571
0,69 – 2,5 5,6 – 6,8 8,72 – 26,8 318 – 883
20 Urea, g/cd
Nitrógeno total, g/cd Fosforo, g/cd
Potasio, g/cd DQO, g/cd DBO, g/cd
16,8 10,8 0,93 5,6 12,97 6,06
11,8 – 23,8 7,7 – 15 0,6 – 1,48 1,38 – 3,52 5,37 – 24,02 1,76 – 9,79
Adaptado de: JAIRO ALBERTO ROMERO ROJAS. “Tratamiento de Aguas Residuales, teoría y principios de diseño”
Tabla 1.2
Composición típica de las ARD (20)
Parámetro Magnitud
Solidos totales Solidos disueltos
Solidos disueltos volátiles Solidos suspendidos
Solidos suspendidos volátiles Solidos sedimentables DBO
COT DQO
Nitrógeno total Nitrógeno orgánico Nitrógeno amoniacal Nitritos
Nitratos Fosforo total Fosforo orgánico Fosforo inorgánico Cloruros
Alcalinidad Grasas
720 mg/L 500 mg/L 200 mg/L 220 mg/L 165 mg/L 10 mg/L 220 mg/L 160 mg/L 500 mg/L 40 mg/L - N 15 mg/L - N 25 mg/L - N 0 mg/L - N 0 mg/L - N 8 mg/L - P 3 mg/L - P 5 mg/L - P 50 mg/L - Cl 100 mg/L- CaCO3 100 mg/L
Adaptado de: JAIRO ALBERTO ROMERO ROJAS. “Tratamiento de Aguas Residuales, teoría y principios de diseño”
Tabla 1.3
Características de un agua residual domestica típica (23).
Parámetro Magnitud
DBO DQO
Solidos suspendidos totales Solidos suspendidos volátiles
Nitrógeno amoniacal Ortofosfato
200 mg/L 400 mg/L 200 mg/L 150 mg/L 30 mg/L - N 10 mg/L - P
Adaptado de: JAIRO ALBERTO ROMERO ROJAS. “Tratamiento de Aguas Residuales, teoría y principios de diseño”
Tabla 1.4
Comparación de la escorrentía urbana con las aguas residuales municipales.
Tipo parámetro DBO mg/L
SS mg/L
N total mg/L
P Total mg/L
Coliformes NMP/100mL ARC municipal
ART municipal Efluente primario Efluente secundario
AR combinada Escorrentía superficial
200
135 25 115
30
200
80 15 410 630
40
35 30 11 3
10
8 5 4 1
5 x 107
2 x 107 1 x 103 5 x 106 4 x 105 Adaptado de: JAIRO ALBERTO ROMERO ROJAS. “Tratamiento de Aguas
Residuales, teoría y principios de diseño”
La cantidad y concentración de las aguas residuales es función de su origen y de sus componentes, por lo que las cargas equivalentes o contribuciones per cápita por día varían de una ciudad a otra y de un país a otro. Para ciudades grandes se pueden usar, como valores de referencia, los incluidos en las tablas anteriores;
para comunidades pequeñas o áreas rurales las aguas residuales son predominantemente domésticas y las cargas por persona equivalente pueden ser como las de la tabla 1.5.
22 Tabla 1.5
Cargas promedio de las ARD en el are rural (22).
Parámetro Valor
Caudal DQO DBO
Solidos suspendidos Nitrógeno
Fosforo
Coliformes totales
150 L/c.d.
75 g/c.d. – 80 g/c.d.
30 g/c.d. - 35 g/c.d 25 g/c.d. – 30 g/c.d 8 g/c.d.– 9 g/c.d 3,5 g/c.d.– 4 g/c.d 108 NMP/100 mL
Adaptado de: JAIRO ALBERTO ROMERO ROJAS. “Tratamiento de Aguas Residuales, teoría y principios de diseño”
Las características de un agua gris se incluyen en la tabla 1.6.
Tabla 1.6
Características de un agua gris (5).
Parámetro Intervalo Promedio Promedio en el
agua de consumo pH
alcalinidad, mg/L N amoniacal, mg/L Nitrato, mg/L N total, mg/L Cloruros, mg/L Dureza, mg/L Fosfato, mg/L Sulfatos, mg/L Turbiedad, UNT
5 – 7 149 – 198 0,15 – 3,2 0 – 4,9 0,6 – 5,2 3,1 – 12 112 – 152 4 – 35 12 – 40 20 – 140
6,5 158 0,7 1,0 1,7 9 144 9 23 76
6,6 131 0 1,0 1,0 10 142 3 28 0,8
Adaptado de: JAIRO ALBERTO ROMERO ROJAS. “Tratamiento de Aguas Residuales, teoría y principios de diseño”
1.1.3. EFECTOS DE POLUCIÓN POR LAS AGUAS RESIDUALES
Toda agua residual afecta en alguna manera la calidad del agua de la fuente o cuerpo de agua receptor. Sin embargo, se dice que un agua residual causa polución solamente cuando introduce condiciones o características que hacen el agua de la fuente o cuerpo receptor inaceptable para el uso propuesto de la misma. Así por ejemplo, no se puede decir que las aguas de la alcantarilla domiciliar contaminan las aguas del alcantarillado sanitario municipal. En las tablas 1.7 a 1.10 se presentan, en forma muy breve y generalizada, los efectos más importantes de los principales agentes de polución de las aguas residuales.
Tabla 1.7
Efectos indeseables de las aguas residuales (12).
Contaminante Efecto
Materia orgánica biodegradable
Materia suspendida
Sustancias corrosivas, cianuros, metales, fenoles
Microorganismos patógenos
Sustancias que causan turbiedad, temperatura, color, olor
Desoxigenación del agua, muerte de peces, olores indeseables
Deposición en los lechos de los ríos; si es orgánica se descompone y flota mediante el empuje de los gases; cubre el fondo e interfiere con la reproducción de los peces o trastorna la cadena alimenticia.
Extinción de peces y vida acuática, destrucción de bacterias, interrupción de la auto purificación
Las ARD pueden transportar organismos patógenos, los residuos de curtiembre ántrax
El incremento de temperatura afecta a los peces; el color, olor y turbiedad hacen estéticamente inaceptable el agua para uso publico
24 Sustancias o factores que
transforman el equilibrio biológico
Constituyentes minerales
Pueden causar crecimientos excesivo de hongos o plantas acuáticas, las cuales alteran el ecosistema acuático, causan olores, etcétera
Aumentan la dureza, limitan los usos industriales sin tratamiento especial, incrementan el contenido de solidos disueltos a niveles perjudiciales para los peces o la vegetación, contribuyen a la eutrofización del agua
Tabla 1.8
Contaminantes de importancia en aguas residuales (20) Contaminantes Causa de su importancia
Solidos suspendidos.
Materia orgánica biodegradable.
Patógenos.
Nutrientes.
Pueden conducir al desarrollo de deposición de lodos y condiciones anaerobias cuando se descargan AR crudas en un medio acuático.
Está compuesta principalmente de proteínas, carbohidratos y grasas. Se mide en términos de DBO y DQO por lo general. Si no es previamente removida puede producir agotamiento del OD de la fuente receptora y desarrollo en condiciones sépticas.
Producen enfermedad.
El C, N y P son nutrientes. Cuando se descargan en las aguas residuales pueden producir crecimiento de vida acuática indeseable. Cuando se descargan en cantidades excesivas sobre el suelo pueden producir polución del agua subterránea.
Materia orgánica.
Metales pesados.
Solidos inorgánicos, disueltos.
Resiste tratamiento convencional. Ejemplos:
detergentes, fenoles y pesticidas agrícolas.
Provienen de aguas residuales comerciales e industriales y es posible que deban ser removidos para reusó del agua.
Algunos como el calcio, sodio sulfatos son agregados al suministro doméstico original como resultado del uso y es posible que deban ser removidos para reusó del agua
Tabla 1.9
Contaminantes de importancia en agua residuales (23) Contaminante Parámetro típico
De mediodía
Impacto ambiental
Materia orgánica biodegradable
Materia suspendida
Patógeno
Amoniaco
Fosforo
DBO, DQO
SST, SSV
CF
NH4+ - N
Ortofosfatos
Desoxigenación del agua, generación de olores indeseables.
Causa turbiedad en el agua, deposita lodos.
Hace el agua insegura para consumo y recreación.
Desoxigena el agua, es toxico para organismos acuáticos y puede estimular el crecimiento de las algas.
Puede estimular el crecimiento de las algas.
26 Materiales tóxicos
Sales inorgánicas
Energía termina
Iones hidrogeno
Como cada material toxico especifico
SDT
Temperatura
pH
Peligroso para la vida vegetal y animal
Limita los usos agrícolas e industriales del agua.
Reduce la concentración de saturación de oxigeno e el agua, acelera el crecimiento de
organismos acuáticos.
Riego potencial para organismos acuáticos.
Tabla 1.10
Elementos y compuestos tóxicos (5)
Substancias Efecto
Antimonio, Sb
Arsénico, As
Bario, Ba
Berilio, Be
Se acumula en el hígado. Afecta el corazón. Puede ser acumulado por organismos marinos.
Toxico agudo crónico para los seres vivos. Subproducto de algunas industrias
La indigestión de sales de bario es toxica. Puede ser toxica para las plantas.
Toxico para los seres vivos. Sus óxidos e hidróxidos son insolubles, dentro de los rangos normales de pH.
Boro, B
Cadmio, Cd
Cianuros, CN-
Cobre, Cu
Cromo, Cr
Fenoles
Flúor, F
Litio, Li
Grandes cantidades pueden producir trastornos digestivos y nerviosos.
Tóxico para los seres vivos,
acumulativo. Protector metálico contra la oxidación usado industrialmente.
Toxico no acumulativo. Biodegradable en ríos.
Esencial para los seres humanos en cantidades pequeñas, 2 mg/d. produce sabores desagradables en el agua en concentraciones de 1 mg/L-Cu – 5 mg/L–Cu. Es elemento esencial para la vida; pero es toxico, en concentraciones variables, para las plantas y la vida acuática.
El cromo hexavalente es toxico para los seres humanos. El cromo trivalente es oxidado lentamente en aguas a cromo hexavalente. Toxico para las plantas.
Produce sabores y olores. Toxico para los peces.
Protector contra la caries dental, toxico en altas concentraciones.
Fitotóxico en altas concentraciones.
28 Mercurio, Hg
Molibdeno, Mo
Níquel, Ni
Nitrógeno amoniacal, NH3
Nitrógeno de nitratos, NO3-
Plata, Ag
Plomo
Sodio, Na
Sulfuro, S=
Toxico para los seres vivos. El metil mercurio es 50 veces más toxico que el mercurio inorgánico.
Micronutriente esencial no acumulable en seres humanos, los cuales toleran grandes cantidades. Algunos animales como el ganado bovino son sensibles a este metal.
Baja toxicidad oral para los humanos.
Toxico para plantas y vida marina.
No es toxico para los humanos en las concentraciones naturales. Puede ser toxico para los peces.
Toxico para los infantes en concentraciones altas.
Toxico acumulable en los tejidos, produciendo coloración azul grisosa de la piel (argiria). Toxico para la vida acuática.
Acumulativo en seres humanos y
ganado. La absorción humana de plomo ingerido es pequeña; dosis grandes únicas no son un problema.
Peligroso para personas con problemas cardiacos. Destructor del suelo.
El H2S no ionizado es toxico.
Talio, Tl
Tungsteno, W
Uranio, U
Vanadio, V
Zinc, Zn
Toxico acumulativo con efectos subletales como pérdida de cabello e hipertensión.
Inhibe la fotosíntesis. Neurotoxico para peces e invertebrados acuáticos.
Insoluble en agua, no hay información de su toxicidad.
Toxico para los seres humanos y los organismos acuáticos.
Toxico para las plantas.
Nutriente esencial no toxico para humanos y animales. Tóxicos agudo y crónico para organismos acuáticos y, en altas concentraciones, para las plantas.
1.1.4. CARACTERÍSTICAS DE IMPORTANCIA EN AGUAS RESIDUALES.
Dadas las características y variaciones en la descarga de aguas residuales (AR), al sistema de alcantarillado, el tipo o sistema de alcantarillado usado, la diferencia en las costumbres de la comunidad aportante, el régimen de operación de las industrias servidas, el clima, etc., los caudales de aguas residuales oscilan ampliamente durante el año, cambian de un día a otro y deben tenerse en cuenta la predicción de las variaciones del caudal y, por consiguiente, de la concentración de las aguas residuales afluentes a una planta de tratamiento.
Una curva típica de descarga de aguas residuales, para un alcantarillado separado, puede observarse en la figura 1.2, desarrollada con base en un estudio realizado en un barrio residencial de Bogotá (4).
30 Figura 1.2 Variación típica horaria del caudal AR.
Fuente: BOTIVA, S.C. “Evaluación de parámetros de calidad de aguas residuales domesticas para cálculo de población equivalente”
En dicho estudio se deduce que la relación entre el caudal máximo y el caudal promedio es de 2,13; la relación entre el caudal mínimo y el caudal promedio es de 0,33.
Acidez
La acidez de un agua es su capacidad cuantitativa de neutralizar una base fuerte a un pH de 8,2. La titulación con NaOH mide la concentración de ácidos minerales como el ácido sulfúrico, de CO2 disuelto y de sales de hidrolisis acida.
La acidez se origina en la disolución de CO2 atmosférico, en la oxidación biológica de la materia orgánica o en la descarga de aguas residuales industriales. Su
efecto corrosivo en aguas residuales es de gran importancia, así como su posible efecto destructor o alterador de la flora y fauna de fuentes receptoras. Algunos residuos industriales, por su alto contenido de acidez mineral, pueden requerir pre-tratamiento de neutralización antes del tratamiento biológico.
Ácido Sulfúrico
El ácido sulfúrico (H2S) es un producto de la descomposición anaerobia de las aguas residuales:
→
La corrosión de las alcantarillas y de las plantas de tratamiento esta, a menudo, relacionada con la producción de H2S o con la cantidad de H2S en la atmosfera. Al exponer el agua residual a la atmosfera se desprende H2S y se detecta un claro olor ofensivo a huevo podrido. Cuando el gas se acumula en la corona de las alcantarillas, este puede disolverse en la humedad condensada sobre las paredes del tubo oxidado biológicamente en ácido sulfúrico para corroer las tuberías de concreto. El H2S mezclado con CH4 y CO2 corrosivo en ciertas condiciones.
El color negro de muchas aguas residuales es comúnmente causado por la combinación de ácido sulfhídrico con hierro para formar sulfuro ferroso (FeS). Se consideran indeseables concentraciones de H2S, en aguas residuales, mayores de 1 mg/L, así como concentraciones en la atmosfera superior a 3 ppm.
Actinomices
Organismos heterotróficos, capaces de descomponer la celulosa y la lignina, filamentosos, muy comunes en problemas operaciones de procesos de lodos activados, causantes de espumas en los tanques de aireación, perdida de sedimentabilidad en lodos y aumento de sólidos en efluente. De estas bacterias las más comunes en el suelo son Nocardia, Streptomyces y microomonospora.
Sus productos, en el agua, pueden causar problemas de olores y sabores. La nocardia es un organismo que ocasiona problemas de hinchamiento y flotación de lodos en plantas de lodos activados.
32 Alcalinidad
La alcalinidad del agua es una medida de su capacidad de neutralizar ácidos. Las aguas residuales domesticas son generalmente alcalinas, concentraciones de 50 mg/L-CaCO3 – 200 mg/L-CaCO3 son comunes. La alcalinidad puede generarse por hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos de elementos como el calcio, magnesio, sodio, potasio o de amonio, siendo la causa más común los bicarbonatos de calcio y magnesio. Su capacidad para neutralizar ácidos y prevenir cambios bruscos de pH la hace importante en el tratamiento químico de aguas residuales, en los procesos de remoción biológica de nutrientes, en la remoción de amoniaco y en tratamientos anaerobios. Cuando se añade alumbre a un agua residual se requieren aproximadamente 0,5 mg/L de alcalinidad por cada mg/L de alumbre agregado para la formación del hidróxido insoluble; cuando se oxida nitrógeno amoniacal, en el proceso de nitrificación, cada mg/L de NH4+ - N oxidado destruye 7,14 mg/L de alcalinidad.
En el proceso de nitrificación se necesita suficiente alcalinidad para reaccionar con la acidez. Por otra parte, aguas residuales con alcalinidad caustica reaccionan con el CO2 producido por la actividad microbial para generar bicarbonato y reducir el valor del pH.
Bacterias
Organismos eubacteriales procarioticos unicelulares. Morfológicamente se clasifican como cocos, bacilos, curvados o vibriones, espirales o esperillas o espiroquetas y filamentosas. Son los organismos más importantes en la descomposición y estabilización de la materia orgánica. Así mismo, los organismos bacteriales patógenos que pueden acompañar las excretas humanas originan uno de los problemas sanitarios más graves en áreas de malas condiciones sanitarias.
Los tipos de metabolismo bacterial se presenta en la figura 1.3. Las bacterias se reproducen generalmente por fisión binaria, poseen pared celular, citoplasma con suspensiones coloidales de proteínas, carbohidratos y otros compuestos orgánicos. El citoplasma con suspensiones coloidales de proteínas, carbohidratos y otros compuestos orgánicos. El citoplasma contiene ácido ribonucleico (RNA),
cuya función principal es sintetizar las proteínas y ácidos desoxirribonucleico (DNA), el cual contiene la información para la reproducción celular. La fracción orgánica celular se representa por la formula C5H7NO2 o C60H87O23N12P; la fracción inorgánica incluye P2O5 (50%), SO3 (15%), Na2O (11%), CaO (9%), MgO (8%), K2O (6%) y Fe2O3 (1%).
El crecimiento óptimo de bacterias ocurre dentro de los intervalos de pH entre 6,5 a 7,5 y generalmente no toleran pH mayor que 9,5 o inferior a 4,0.
Figura 1.3 Metabolismo bacteria quimio heterotrófico (21).
Modification de: METCALF & EDDY, Inc. wastewater Engineering: Treatment, Disposal
Las temperaturas inferiores a la temperatura óptima tienen mayor efecto significativo sobre el crecimiento bacterial que las temperaturas superiores. La tasa de crecimiento se dobla aproximadamente con un incremento de 10°C hasta alcanzar la temperatura óptima. Los intervalos típicos óptimos de temperatura para las bacterias son (21):
Bacterias psicrofilas o criofilas: 12 °C – 18°C Bacterias mesofilicas: 25 °C – 40°C Bacterias termofilicas: 55 °C – 65°C
34 Bioensayos
El decreto 1594 de 1984 los define como el procedimiento por el cual las respuestas de organismos acuáticos se usan para detectar o medir la presencia o efectos de una o más sustancias, elementos, compuestos, desechos o factores ambientales solos o en combinación. Su aplicación más común se relaciona con la determinación de los CL5096. El CL5096 es la concentración de una sustancia, elemento o compuesto, solos o en combinación, que produce la muerte al 50 % de los organismos sometidos a bioensayos en un periodo de 96 horas.
Los bioensayos, por tanto para evaluar la toxicidad, propiedad que tiene sustancia, elemento o compuesto, de causar daños en la salud humana o la muerte de algún organismo vivo, de las AR a la vida biológica en las fuentes receptoras. El objetivo específico es establecer la concentración de un residuo determinado que causaría una mortalidad del 50 % en el organismo de prueba de 96 horas, para lo cual se introducen peces, u otro organismo, en diferentes acuarios con concentraciones variables del residuo en estudio y se observa su supervivencia después de 24 horas, 48 horas y 96 horas.
Carbohidratos
Grupos compuestos de carbono, hidrogeno y oxígeno, en los cuales el hidrogeno y el oxígeno están en la misma relación que en el agua; muy comunes en aguas residuales y en la industria de la madera, papel, textiles y alimentos. Incluyen azucares, almidones, celulosa y hemicelulosa. Desde el punto de vista d tratabilidad el carbohidrato más importante es la celulosa, por ser el más resistente en procesos aerobios, aunque se destruye fácilmente en el suelo como resultado de la actividad de varios hongos.
Carbono orgánico total (COT).
Prueba instrumental para medir la cantidad total de carbono en el AR. Es otro medio para determinar la materia orgánica presente en el agua y un ensayo de ejecución rápida, si se posee el equipo requerido, el cual es muy costoso. El ensayo consiste en inyectar una cantidad conocida de muestra en un horno de alta temperatura o en un medio químicamente oxidante para oxidar el carbono orgánico en dióxido de carbono, en presencia de un catalizador. El dióxido de carbono producido se mide mediante un analizador infrarrojo. Cuando existen
compuestos orgánicos resistentes a la oxidación, el valor del COT es menor que el valor real. Las aguas residuales domesticas crudas generalmente contienen COT de 80 mg/L- C – 290 mg/L- C y la relación DBO/COT varía entre 1,0 y 1,6(21).
Cloruros.
Son comúnmente en aguas residuales pues la contribución diaria por persona es de 6 g a 9 g. Concentraciones altas pueden causar problemas de calidad de agua para riego y de sabor en aguas para reusó. En general, los métodos convencionales de tratamiento de aguas residuales no remueven cloruros. En aguas residuales domesticas crudas la concentración de cloruros oscila entre 30 mg/L y 200 mg/L. los cloruros interfieren en el ensayo de DQO y su determinación también sirve para controlar la polución marina y la tasa de bombeo en acuíferos costeros. Los cloruros en concentraciones mayores de 15000 mg/L son considerados tóxicos para el tratamiento biológico convencional.
Coliformes.
Los organismos patógenos que pueden existir en las aguas residuales son, generalmente, pocos y difíciles de aislar e identificar. Por esta razón se prefiere utilizar a los coliformes como organismos indicador de contaminación o, en otras palabras, como indicador de la existencia de organismos productores de enfermedad.
El hombre arroja diariamente, en sus excrementos, entre 109 y 4x1011 coliformes;
por tanto, su presencia puede detectarse con facilidad y utilizarse como norma de control sanitario.
Las bacterias coliformes son bacilos gran-negativos, aerobios y facultativos anaerobios, no formadores de esporas, que fermentan la lactosa con producción de gas en 48 +/- 3h a 35 °C o 37°C. El grupo de coliformes totales, grupo coli- aerogenes, incluye los géneros escherichia y aerobacter. En general, se considera el género escherichia, especie E. coli, como la población de bacterias coliformes más representativa de contaminación fecal. El género aerobacter y algunas escherichia pueden crecer en el suelo, lo cual implica que la presencia de coliformes no necesariamente representa la existencia de contaminación fecal humana.
36 El ensayo de coliformes fecales (CF) se estableció con base en la capacidad de las bacterias coliformes fecales, E. coli, de producir gas, en medio EC, al ser incubadas a 44,5 ± 0,2 °C durante 24 ± 2 horas. También se usa la capacidad de las bacterias coliformes fecales para producir en medio A-1 al ser incubadas por 3 horas a 35 ± 0,5 °C y por 21 ± 2 horas a 44,5 ± 0,2 °C, en la remoción de coliformes tienen efecto principal el tiempo de retención, la temperatura, la radiación ultravioleta, la concentración algar y el consumo por protozoos, rotíferos y dafnias.
Con excepción de algunas cepas de coliformes fecales enteropatógenos que causen diarrea, los coliformes no son patógenos para el hombre. Sin embargo, los coliformes pueden aceptar y transferir genes resistentes a las drogas, por lo cual hacen necesaria su eliminación (16).
Color.
Las aguas residuales domesticas frescas son generalmente de color gris y a medida que el agua envejece cambia a color gris oscuro y luego a negro. El color negro de las aguas residuales sépticas es producido principalmente por la formación de sulfuros metálicos. Es color en aguas residuales industriales puede indicar el origen de la polución, así como el buen estado o deterioro de los procesos de tratamiento. Entre los residuos industriales de color fuerte se tienen los de la industria de textiles y los de la pulpa de papel.
Compuestos orgánicos volátiles
En aguas residuales es común encontrar compuestos orgánicos volátiles (COV), los cuales al ser emitidos a la atmosfera pueden constituirse en contaminantes tóxicos para los usuarios o en gases orgánico altamente reactivos, que pueden contribuir a la producción de ozono o de compuestos muy olorosos.
La existencia de emisiones de COV en alcantarillas y plantas de tratamiento puede hacer necesario el estudio, análisis e implementación de sistemas para su control.
Entre los COV se incluye el dicloroetileno, diclorometano, cloroformo, dicloroetano, benceno, tetraclorometano, dibrometano, tricloroetileno, tolueno, dibrometano, tetracloroetileno, cromoformo, xileno, cumeno, propilbenceno,
etiltolueno, trimetilbenceno, dietilbenceno, dimetilsulfuro, limineno, alfapineno y otros. Muchos de estos componentes se creen que son carcinogénicos.
Generalmente se consideran como COV al que tiene un punto de ebullición ≤ 100
°C o una presión de vapor mayor que 1 mm Hg a 25 °C. Así, por ejemplo, el cloruro de vinilo con punto de ebullición de -13,9 °C y presión de vapor de 2,548 mmHg a 20 °C es un compuesto orgánico extremadamente volátil. En aguas residuales domésticas, el contenido de COV es comúnmente menor que 400 µg/L
(21).
Demanda bioquímica de oxigeno (DBO).
La demanda bioquímica de oxigeno es la cantidad de oxigeno que requieren los microorganismos para oxidar (estabilizar) la materia orgánica biodegradable en condiciones aerobias. Cuando se refiere a la DBO necesaria para oxidar todo el material orgánico carbonáceo biodegradable, se denomina demanda bioquímica ultima de oxigeno carbonáceo (DBOUC). En condiciones normales de laboratorio, esta demanda se cuantifica a 20 °C, el ensayo se realiza a cinco días de incubación y se conoce convencionalmente como DBO, con valores numéricos expresados en mg/L – O2.
La DBO es el parámetro más usado para medir la calidad de aguas residuales y superficiales, para determinar la cantidad de oxigeno requerido para estabilizar biológicamente la materia orgánica del agua, para diseñar unidades e tratamiento biológico, para evaluar la eficiencia de los procesos de tratamiento y para fijar las cargas orgánicas permisibles en fuentes receptoras.
DBO nitrogenácea
La descomposición de la materia orgánica, especialmente la hidrolisis de las proteínas, produce material no carbonáceo como el amoniaco. Este material, nitrógeno amoniacal, es oxidado por las bacterias nitrificantes en nitrito y nitrato, causando una demanda de oxigeno conocida como demanda bioquímica de oxigeno nitrogenácea (DBON).
Es un cultivo mixto, como el usado normalmente para determinar DBO, se tiene una población de bacterias nitrificantes baja, porque la tasa de reproducción de las bacterias nitrificantes es lenta, normalmente de seis a diez días. Por ello, en el
38 ensayo de DBO, la DBON solo se observa después de seis a diez días; sin embargo, en efluentes de plantas de tratamiento de aguas residuales existe una población de bacterias nitrificantes suficientes para ejercer DBON y alterar el valor de la DBOC. La interferencia causada por la demanda adicional de oxigeno de las bacterias nitrificantes se elimina mediante pre tratamiento de la muestra o por medio de agentes inhibidores.
En general, se ha afirmado que las bacterias comunes del agua residual tienen un tiempo de generación de siete horas y que las bacterias nitrificantes, por otra parte, tienen un crecimiento mucho más lento y su tiempo de generación es mayor de ocho días.
Los recursos de oxigeno requeridos para satisfacer la DBON pueden determinarse utilizando los análisis de las diferentes formas del nitrógeno y usando las relaciones siguientes:
→ ( )
→ ( )
Mediante las reacciones anteriores, las bacterias nitrificantes obtienen la energía para su sostenimiento y crecimiento celular. Globalmente,
( )
De acuerdo con las relaciones anteriores, las bacterias estequiometrias se requieren 4,57 mg/L-O2 para oxidar un mg/L de nitrógeno amoniacal expresado como N y se consumen 7,14 mg/L de alcalinidad como CaCO3. Otra ecuación usada para cuantificar la DBON, incluyendo la síntesis celular bacterial, es la siguiente (21).
( )
Esta ecuación indica que el oxígeno requerido para nitrificación es apreciable, que se requieren 4,3 mg/L-O2 para oxidar un mg/L de nitrógeno amoniacal expresado como N y que se consumen 8,6 mg/L-HCO-3 por mg/L de NH4+
oxidado, o sea 7,1 mg/L de alcalinidad – CaCO3.
Las bacterias nitrificantes son organismos muy sensibles que ven afectada su actividad por diferentes inhibidores; requieren generalmente pH entre 7,5 y 8,6 y de oxigeno mayor de 1 mg/L.
Alternativamente, la DBON se puede calcular en forma similar a la DBOC, suponiendo una cinética de primer orden.
Demanda química de oxigeno (DQO)
La demanda química de oxigeno (DQO) se usa para medir el oxígeno equivalente a la materia orgánica oxidable químicamente mediante un agente químico oxidante fuerte, por lo general dicromato de potasio, en un medio ácido y a alta temperatura. Para la oxidación de ciertos compuestos orgánicos resistentes se requiere la ayuda de un catalizador como el sulfato de plata.
Compuestos orgánicos que interfieren con el ensayo, como los cloruros, pueden causar resultados erróneos de DBO. La interferencia por cloruros se elimina agregando sulfato mercúrico para formar HgCl2 y prevenir el consumo de dicromato por el ion cloruro.
La reacción principal puede representarse de la manera siguiente:
→
La DQO es útil como parámetro de concentración orgánica en aguas residuales industrial o municipales toxicas a la vida biológica y se puede realizar en solo unas tres horas.
La interpretación correcta de los resultados e demanda de oxígeno, para la oxidación de la materia orgánica, mediante DBO o DQO, es problemática por los diferentes factores y variables que afectan dichos ensayos. En general, se espera que la DQO sea aproximadamente igual a la DBO última; pero, especialmente en aguas residuales industriales, existen factores que hacen que dicha afirmación no se cumpla. Dichos factores son:
1. Muchos compuestos orgánicos oxidables por dicromato no son oxidables biológicamente.
40 2. Ciertos compuestos inorgánicos como los sulfuros, sulfitos, tiosufatos, nitritos y hierro ferroso son oxidados por dicromato e introducen una DQO inorgánica en el resultado del ensayo.
3. La DBO está sujeta a error cuando se usan simientes bacteriales no aclimatadas adecuadamente al residuo.
4. Ciertos compuestos orgánicos como los hidrocarburos aromáticos y la piridina no son oxidados por el dicromato.
5. Para concentraciones de cloruros mayores de 1 g/L se debe ejecutar el ensayo con un testigo de concentración de cloruros igual a la de la muestra.
6. El tiempo de reflujo debe ser siempre dos horas, puesto que el resultado de la DQO es función del tiempo de digestión.
Las aguas residuales domesticas crudas DBO promedio de 205 mg/L a 1000 mg/L, con relaciones de DQO que generalmente varían entre 1,2 y 2,5 (21).
Demanda teórica de oxigeno
Cuando se conoce la formula química de la materia oxidable del agua residual, es posible cuantificar estequiometricamente la demanda teórica de oxigeno (DTO).
El procedimiento básico es suponer la ocurrencia de las siguientes reacciones química:
1. El carbono es oxidado en CO2. ( ) 2. El nitrógeno orgánico es convertido en amoniaco. ( ) 3. El amoniaco es oxidado en nitritos y nitratos. ( ) 4. El azufre o sulfuros es oxidado a sulfatos. ( ) 5. El fosforo es oxidado en fosfatos. ( ) 6. El hidrogeno es convertido en agua. ( ) La DTO es la sumatoria del oxígeno requerido para la oxidación de cada componente.
Detergentes, SAAM
Los detergentes, agentes tensoactivos o agentes superficiales activos, son compuestos constituidos por moléculas orgánicas grandes, polares, solubles en agua y aceites, que tienen la propiedad de disminuir la tensión superficial de líquidos en que se hallan disueltos. Generalmente se fabrican mediante la mezcla
del detergente o agente tensoactivo con sales sódicas como sulfatos, fosfatos, carbonatos, silicatos o boratos. Según el tipo de grupo polar hidrófilo pueden ser aniónicos, catiónicos y no ionicos. Los detergentes son ampliamente usados y existen en las aguas residuales. Su presencia disminuye la tensión superficial del agua y favorece la formación de espumas, aun en bajas concentraciones, cuando se acumula en la interfaz aire-agua, gracias a la presencia de proteínas, partículas sólidas finas y sales minerales disueltas. Además, inhibe la actividad biológica y disminuyen la solubilidad del oxígeno.
Hasta 1965 el alquil-benceno sulfonato (ABS) era el principal componente detergente en el mundo, compuesto resistente a la descomposición biológica.
Desde esa fecha, en los Estados Unidos, fue reemplazado por el alquil benceno sulfonato lineal (LAS), el cual es biodegradable en condiciones aerobias y permite reducir los problemas de formación de espumas. Las aguas con ABS tienen problemas de sabores y espumas indeseables. Las aguas residuales pueden contener alrededor de 10 mg/L de ABS, lo cual excede en 20 veces el límite de 0,5 mg/L para aguas potables; sin embargo, estudios hechos por el NRC en 1956, indican que el ABS en estas concentraciones no es toxico.
Por otra parte, los detergentes son fuente principal de fósforo en las aguas residuales y causantes de la eutrofización en lagos.
Los detergentes se determinan mediante el ensayo conocido como SAAM, sustancias activas al azul de metileno, a través de la cuantificación del cambio de color de una solución estándar de azul de metileno.
Dióxido de carbono
Generalmente proviene de la atmosfera y de la descomposición microbial de sustancias orgánicas; disuelto en el agua reacciona para formar ácido carbónico.
↔
↔ ( )
Cuando el pH del agua es mayor de 4,5 el ácido carbónico se ioniza para formar bicarbonato, el cual, a su vez, se transforma en carbonato cuando el pH es mayor de 8,3. Así, por ejemplo, la utilización completa del CO2 por fotosíntesis puede incrementar el pH a valores tan altos como 11,0.
42 Las algas pueden extraer CO2 a partir de los bicarbonatos y carbonatos de acuerdo con las ecuaciones 1.6 y 1.7 (4).
( ) ( )
Durante dichos cambios, aunque la alcalinidad total del agua permanezca constante, se produce la transformación de los bicarbonatos en carbonatos y de estos en hidróxidos hasta alcanzar un pH inhibitorio de 10 a 11. Durante la noche las algas producen CO2 y se observaría e efecto contrario sobre el pH.
Fenoles
Compuestos aromáticos comunes en aguas residuales de la industria del petróleo, del carbón, plantas químicas, fabricas e explosivos, de resinas y otras. El ensayo de fenoles incluye, además del fenol (C6H5OH), compuestos como los polifenoles, clorofenoles y fenoxiácidos. Otros fenoles de importancia son los cresoles.
Los fenoles causan problemas de sabores en aguas de consumo tratadas con cloro: en aguas residuales se considera no biodegradables, pero se ha demostrado que son tolerables concentraciones hasta de 500 mg/L. tienen una alta demanda de oxígeno.
Fosforo
Como el nitrógeno, es esencial para el crecimiento de protistas y plantas. Debido a los crecimientos indeseables de algas que ocurren en aguas superficiales, existe marcado interés en removerlo de las aguas residuales. En aguas residuales domesticas el contenido de fosforo oscila entre 6 mg/L y 20 mg/L; las formas usuales son el ortofosfato, polifosfatos y fosfatos orgánicos. Los ortofosfatos, por ejemplo: PO4-3, HPO4=, H2PO4-, H3PO4, son aptos para el metabolismo biológico.
Los polifostos, fosfatos deshidratados molecularmente, se hidrolizan lentamente y revierten a las formas de ortofosfatos. El fosforo orgánico es, por lo regular, de importancia secundaria en la mayor parte de las aguas residuales domésticas, pero puede ser vital en residuos domésticos, pero puede ser vital en residuos industriales yen lodos de aguas residuales.
Los ortofosfatos se determinan colorimétricamente con molibdato de amonio y tanto los polifosfatos se determinan como el fosforo orgánico convertidos en
ortofosfatos para su determinación. En general se recomienda, para el tratamiento biológico una relación de DBO/N/P = 100/5/1.
Grasas y aceites
Se definen como sustancias solubles en hexano, cuando el ensayo se realiza por extracción con hexano. En la técnica actual el ensayo s realza por extracción con freón. Se consideran grasas y aceites a los compuestos de carbono, hidrogeno y oxigeno que flotan en el agua residual, recubren las superficies con las cuales entran en contacto, causan iridiscencia y problemas de mantenimiento, e interfieren con la actividad biológica pues son difíciles de biodegradar.
Generalmente provienen de la mantequilla, manteca, margarina, aceites vegetales, hidrocarburos y carnes. Los aceites y grasas de origen vegetal y animal son comúnmente biodegradables y, aun en forma emulsificada, pueden tratarse en plantas de tratamiento biológico. Sin embargo, cargas altas de grasas emulsificadas como las provenientes de mataderos, frigoríficos, lavanderías y otras industrias causan serios problemas de mantenimiento en las plantas de tratamiento.
Los aceites y grasas de origen mineral pueden ser no biodegradables y requieren pre tratamiento para ser removidos antes del tratamiento biológico. Sin embargo, no existe un método que permita distinguir las grasas y aceites vegetales o animales de las de origen mineral, aunque existe el procedimiento para diferenciar entre grasas y aceites polares y no polares.
Materia orgánica.
Los sólidos suspendidos de un agua residual pueden contener un 75 % de materia orgánica; los sólidos disueltos en 40 %. La materia orgánica de las aguas residuales es una combinación de carbono, hidrogeno, oxígeno y nitrógeno (CHON) principalmente; con las proteínas (40 % – 60 %), los carbohidratos (25 % – 50 %) y las grasas y aceites (10 %) como grupos más importantes.
Concentraciones grandes de materia orgánica, en aguas residuales, se miden mediante la DQO y el COT. Concentraciones pequeñas de materia orgánica, del orden de trazas, 10-12 mg/L a 10-3 mg/L, se cuantifican por cromatografía de gases y espectroscopia de masa.
44 Metales pesados
No existe la definición única de metales pesados que permitan enumerarlos y clasificarlos. Algunos criterios usados para definirlos han sido:
La densidad relativa del metal, mayor de cuatro o cinco.
La localización dentro de la tabla periódica de los elementos.
La respuesta especifica zoológica o botánica.
La toxicidad del elemento.
Entre los metales pesados se incluye la plata el Bario, cadmio, cromo, cobre, cobalto, níquel, plomo, zinc, hierro, mercurio, titanio, vanadio, niobio, molibdeno y manganeso.
Los metales pesados, en altas concentraciones, son todos tóxicos, aunque algunos de ellos, como el cobre, zinc y molibdeno, son esenciales a los organismos vivos. El mercurio, cadmio y el plomo son, en general, tóxicos y reciben gran atención por ser elementos que se magnifican biológicamente, en el medio natural, a través de la cadena alimenticia. Especial interés recibe la descarga de mercurio metálico, en algunos procesos de fabricación de cloro, por su conversión en metil–mercurio, concentración en peces y transmisión a los seres humanos, con graves efectos sobre la salud.
El mercurio elemental es inocuo, a menos que se vaporice y se inhale directamente dentro de los pulmones. Las formas toxicas de mercurio, por ingestión, son el metil mercurio (CH3Hg+ y CH3 – Hg – CH3) y sus sales inorgánicas, especialmente el cloruro mercurio (HgCl2). El metil mercurio pueden formarlo las bacterias en los sedimentados y en aguas acidas. El mercurio inorgánico ionizado es muy toxico. El mercurio elemental tiene un tiempo de residencia corto en el cuerpo, pero el metil mercurio permanece en el cuerpo por periodo diez veces mayores que el mercurio metálico, produciendo trastornos cerebrales, nerviosos, del riñón, del hígado y defectos de nacimientos. El metil mercurio se acumula en la cadena alimenticia. Los compuestos de fenil mercurio (C6H5Hg+ y C6H5 – Hg – C6H5) son moderadamente tóxicos, con tiempos de
retención cortos en el cuerpo, pero que se transforman rápidamente en el ambiente para dar origen a mercurio inorgánico.
Algunos residuos industriales pueden contener concentraciones apreciables de metales pesados y requerir pre tratamiento para permitir su descarga al alcantarillado municipal; en general se considera toxica para el tratamiento biológico una concentración de metales pesados mayor de 2 mg/L (7). Sin embargo, ensayos realizados en lagunas de estabilización de climas cálidos han demostrad que las lagunas soportan concentraciones altas de metales pesados, hasta 60 mg/L, y 12 mg/L de cada uno de los metales siguientes:
Cadmio, cromo, cobre, níquel y zinc (29).
Metano
Hidrocarburo combustible, incoloro e inodoro. Se produce en la descomposición anaerobia de la materia orgánica y generalmente constituye el 65 % del gas de digestores, el cual tiene un bajo poder calorífico de 22400 kJ/m3.
En plantas de tratamiento de aguas residuales grandes se usa el gas de los digestores para generar electricidad y calentar los digestores; en ambientes cerrados como las alcantarillas, el metano constituye un peligro por los riesgos de explosión.
Nitrógeno
Nutriente esencial para el crecimiento de protistas y plantas. Las formas de interés en aguas residuales son la de nitrógeno orgánico, nitrógeno amoniacal, nitrógeno de nitritos y nitratos. Todas son formas interconvertibles bioquímicamente y componentes del ciclo del nitrógeno. Se denomina NTK nitrógeno total Kjeldhal, al nitrógeno orgánico más el nitrógeno amoniacal.
Los datos del nitrógeno son necesarios para evaluar la tratabilidad de las aguas residuales por tratamientos biológicos; un agua residual con contenido insuficiente de nitrógeno puede requerir la adición de nitrógeno para su adecuada descomposición. En otros casos, cuando se exige control de eutrofización de las fuentes receptoras, la remoción de nitrógeno, en el agua residual, puede ser una condición del tratamiento.
46 Como se
